ISSN  0216-7492

## PENGUJIAN KEMAMPUAN ADSORPSI DARI ADSORBEN KARBON AKTIF UNTUK MESIN PENDINGIN TENAGA SURYA
Bonardo S. 1 , Himsar Ambarita 2 , Tulus B. Sitorus 3 , Dian M. Nasution4, Syahril Gultom 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara
E-mail : siregar_bonardo@yahoo.co.id

## ABSTRAK
Akhir-akhir  ini  mesin  pendingin  siklus  adsorpsi  semakin  banyak  diteliti  oleh  para  ahli  karena disamping ekonomis juga ramah lingkungan dan menggunakan energy terbarukan yaitu energi surya. Agar  proses  adsorpsi  dan  desorpsi  mesin  pendingin  adsorpsi  dapat  berjalan  dengan  baik  perlu diketahui jumlah perbandingan yang ideal antara adsorben dengan refrigeran yang digunakan. Disini untuk  mencari  perbandingan  antara  absorben  karbon  aktif  menggunakan  baut  maupun  tidak menggunakan  baut.  Data  tersebut  dapat  dicari  menggunakan  alat  penguji  kapasitas  adsorpsi.  Alat penguji  kapasitas adsorpsi yang digunakan dilengkapi dengan lampu halogen 1000 W sebagai sumber panas.    Adsorber  pada  alat  penguji  ini  terbuat  dari  bahan  stainless  steel  yang  bertujuan  agar  tahan terhadap korosi akibat dari refrigeran yang digunakan. karbon aktif yang digunakan sebagai adsorben sebanyak  1  kg.  Sedangkan  refrigeran  yang  digunakan  yaitu  metanol.  Kapasitas  metanol  yang  dapat diadsorpsi  dan  didesorpsi  oleh  adsorben  karbon  aktif  mengunakan  baut  adalah  sebanyak  350  mL. Sedangkan  kapasitas metanol  yang  dapat  diadsorpsi dan  didesorpsi  oleh  adsorben  karbon  aktif  tidak menggunakan baut adalah sebanyak 275 mL.
Kata kunci: Adsorpsi, desorpsi, adsorber, karbon aktif, refrigeran

## 1. PENDAHULUAN
Dalam  pengujian  sebuah  alat  pendingin  dapat  kita  ketahui  bahwa  sistem  pendingin adalah untuk  mengembalikan gas  menjadi  cairan dan selanjutnya kembali  menguap menjadi gas. Dalam bidang teknik, istilah pendinginan harus dibayangkan lebih dari sekedar pendingin atau  menjaga  sesuatu  tetap  dingin,  melainkan  semua  teknik  yang  dapat  digunakan  untuk menurunkan  temperatur  suatu  medium  sampai  lebih  rendah  daripada  temperatur lingkungannya (Ambarita,2012).
Proses  pendinginan  merupakan  suatu  usaha  untuk  menurunkan  suhu  pada  ruangan ataupun  pada  suatu  material,  dengan  kata  lain  mendapatkan  kondisi  yang  diinginkan  oleh produk atau material,  dalam hal  ini temperatur yang rendah agar produk  atau material  dapat disimpan  dalam  waktu  yang  relatif  lama,  baik  untuk  konsumsi,  produksi,  maupun perdagangan.  Penyimpanan  dan  transportasi  bahan  pangan,  proses  pengolahan  makanan  dan minuman, pembuatan es ( ice making ) merupakan beberapa contoh kegiatan yang memerlukan proses  pendinginan  dan  pembekuan.  Proses  pendinginan  merupakan  proses  pengambilan kalor / panas suatu ruang atau benda untuk menurunkan suhunya dengan jalan memindahkan kalor  yang  terkandung  dalam  ruangan  atau  benda  tersebut.  Sehingga  proses  pendinginan merupakan rangkaian proses pindah panas. Proses pindah panas dapat terjadi secara konveksi, konduksi maupun radiasi.
Salah  satu  opsi  yang  cukup  potensial  memanfaatan  energi  surya  termal  adalah  untuk menggerakkan  siklus  adsorpsi  untuk  daerah-daerah  yang  tidak  mempunyai  aliran  listrik. Sementara  banyak  desa-desa  di  Indonesia  yang  sangat  membutuhkan  mesin  pendingin (refrigerasi) untuk membantu aktivitas ekonomi. Misalnya untuk pengawetan dan pembuatan makanan,  atau  untuk  penyimpanan  vaksin  dan  lain-lain.  Oleh  karena  itu  mesin  pendingin yang dapat digerakkan tenaga surya dan tidak memerlukan listrik sangat dibutuhkan terutama untuk daerah-daerah pedesaan di Indonesia.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## Siklus Adsorpsi
Siklus  adsorpsi  adalah  siklus  termodinamika  yang  dapat  digunakan  untuk menghasilkan efek pendinginan, siklus ini menggunakan panas sebagai sumber energi utama untuk menghasilkan efek pendinginan (Ambarita, 2013).

## Adsorben
Pada adsorben berpori  mikro seperti karbon aktif, salah satu  teori  yang paling sering digunakan untuk memberi gambaran adsorpsi fisik molekul gas adalah teori pengisian volume pori mikro ( TVFM, Theory Of Volume Filling of Micropores) yang dikembangkan oleh M.M Dubinin.  Berbeda dengan teori  – teori  sebelumnya yang memberikan gambaran fisik  berupa pembentukan  satu  atau  lebih  lapisan (film) adsorpsi  pada  permukaan  adsorben.  Teori pengisian  volume  mikro  menekankan  bahwa  adsorpsi  tidak  terjadi  melalui  pembentukan lapisan (film) adsorpsi  tetapi  berupa  pengisian  volume  dalam  ruang  adsorpsi  dan  zat  yang teradsorpsi berada dalam bentuk cair (Wuntu dan Kamu, 2008).
Persamaan adsorpsi dapat dilihat dibawah ini :
W = W 0 exp [– (𝐴/(𝐸 0 ) 𝑛 ] (1)
(2.1)
Dengan  W  adalah  Volume  adsorbat  yang  terkondensasi  pada  suhu  (T)  dan  tekanan Relative (P/P 0 ) (cm 3 /gr), T adalah suhu mutlak (K), P adalah tekanan parsial adsorbat (atm), P 0 adalah  tekanan  uap  jenuh  adsorbat  (atm),W 0 adalah  volume total  pori  mikro  yang  dapat diakses  oleh  adsorbat  (cm 3 /gr),  A  adalah  kemampuan  adsorpsi  dari  karbon  aktif,  E 0 merupakan  Energy  adsorpsi  (J/mole),  n  adalah  parameter  yang  bergantung  pada  jenis adsorbat.
Dalam  persamaan  ini,  parameter  n  pada  persamaan  Dubinin  –  Astakhov  ditetapkan memiliki nilai 2 sehingga persamaan Dubinin – Astakhov dinyatakan dalam bentuk :
W = W 0 exp [– (𝐴/(𝐸 0 ) 2 ] (2) (2.2)
Persamaan (2) selanjutnya dapat diubah ke dalam bentuk :
Ln W = LnW 0 -  (1/(E 0 ) 2 A 2 (3)

## Refrigeran
Refrigeran  adalah  fluida  kerja  utama  pada  suatu  siklus  pendingin  ( refrigerasi )  yang berfungsi  menyerap  panas  pada  temperature  dan  tekanan  rendah  dan  membuang  panas  pada temperature dan tekanan tinggi.

## Kalor (Q)
Kalor  adalah  energi  yang  berpindah  yang  mengakibatkan  perubahan  temperatur (Holman, 1984).

## Kalor Laten
Q L = L e m (4) (2.6)
dengan  Q L adalah  Kalor  laten  (J), Le adalah  kapasitas  kalor  spesifik  laten  (J/kg), m adalah massa zat (kg).

## Kalor Sensibel
Kalor  sensibel  adalah  kalor  yang  diberikan  atau  yang  dilepaskan  oleh  suatu  jenis fluida  sehingga  temperaturnya  naik  atau  turun  tanpa  menyebabkan  perubahan  fasa  fluida tersebut (Holaman, 1984).
Q s = m C p ∆T (5)

## Perpindahan Panas
Panas  hanya  akan  berpindah  jika  ada  perbedaan  temperatur,  yaitu  dari  sistem  yang bertemperatur tinggi ke sistem bertemperatur rendah.

## Konduksi
Perpindahan  panas  di  sini  terjadi  akibat  interaksi  antara  partikel  tanpa  diikuti perpindahan partikelnya (Ambarita, 2011).
𝑄 𝑐 = 𝑘𝐴 ∆𝑇 ∆𝑥 (6)

## Konveksi
Perpindahan panas  konveksi  adalah perpindahan  panas antara permukaan  padat  yang berbatasan dengan fluida mengalir.
Q h =hA(T s -T L ) (7)

## Radiasi
Perpindahan  panas  radiasi  adalah  panas  yang  dipindahkan  dengan  cara memancarkangelombang elektromagnetik.
Q h =hA(T s -T L ) (8)

## 3. METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu
Tempat  penelitian  adalah  laboratorium  Teknik  Pendingin,  gedung  Fakultas  Teknik USU. Waktu pelaksanaan penelitian ± 6 bulan.

## Bahan
Pada penelitian ini, bahan pengujian yang digunakan adalah sebagai berikut.
1. Adsorben karbon aktif
2. Refrigeran

## Alat Ukur yang Digunakan pada Pengujian Kapasitas Adsorpsi
Alat-alat  ukur  yang  digunakan  pada  pengujian  kapasitas  adsorpsi  ini  adalah  sebagai berikut.
1. Pace XR5 Data Logger 2. Thermokopel
3. Sensor Tekanan

## Peralatan yang Digunakan
1. Pompa Vakum
2. Katup
3. Pipa Penghubung
4. Selang Karet
5. Baut
6. Kotak Isolasi gelas ukur

## Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian dapat diuraikan sebagai berikut ini.
1. Proses assembling /penyambungan  alat  penguji  kapasitas  adsorpsi.  Komponen  adsorber dengan  gelas  ukur  dirangkai/dihubungkan  dengan  baik.  Pada  persambungan  pipa  dilem dengan baik dan kuat untuk menghindari kebocoran.
2. Kemudian  dipasang  termokopel  dan  sensor  tekanan.  Pemasanangan  termokopel  pada adsorber (4 titik) dan pada gelas ukur (3 titik). Setelah terpasang dengan baik, termokopel dan sensor tekanan kemudian dihubungkan ke terminal (port) Pace XR5 data logger .
3. Adsorber dipanaskan selama 7 jam (mulai pukul  13.05 WIB sampai dengan pukul 20.05 WIB).
4. Kemudian  pada  pukul  20.05  WIB  dilakukan  pemvakuman  dengan  mengunakan  pompa vakum untuk mengeluarkan gas/udara dan air/uap air yang terdapat pada adsorben karbon aktif. Setelah kondisi vakum, kemudian semua katup ditutup.
5. Pada  gelas  ukur  diisi  refrigeran.  Pengujian  mengunakan  metanol  dengan  adsorber menggunakan baut, pengujian kedua menggunakan adsorber tanpa baut. Kemudian lampu alat  penguji  kapasitas  adsorpsi  dimatikan.  Data  tekanan,  temperatur  adsorber  dan  gelas ukur  akan  otomatis  tersimpan  pada  Pace  XR5  Data  Logger  dalam  bentuk  Notepad  yang kemudian dapat di transfer dalam bentuk grafik dan dalam bentuk microsoft xl.
ISSN  0216-7492
6. Kemudian gelas ukur dimasukkan ke dalam kotak styrofoam dan pada styrofoam diisi es sebanyak 5 kg. Hal ini bertujuan untuk melihat berapa refrigeran yang dapat diserap oleh karbon aktif dengan kondisi bagian luarnya sudah menjadi es. Karena gelas ukur nantinya akan  digantikan  fungsinya  oleh  evaporator  pada  mesin  pendingin  siklus  adsorpsi  tenaga surya.
7. Katup antara adsorber dan gelas ukur dibuka untuk memulai proses adsorpsi (pukul 20.05 WIB sampai keesokan harinya pukul 13.05 WIB). Temperatur adsorber dan tekanan akan turun  seiring  dengan  turunnya  temperatur  lingkungan.  Pada  malam  hari  dengan  turunya temperatur  adsorber,  maka  karbon  aktif  akan  menyerap  refrigeran  sehingga  refrigeran akan menguap dan naik ke adsorben karbon aktif.
8. Proses  desorpsi  mulai  pukul  13.05  WIB  sampai  dengan  pukul  20.05  WIB  dengan menyalakkan  lampu  pemanas  alat  penguji  kapasitas  adsorpsi (1000  W).  Seiring  dengan naiknya  temperatur  adsorber  maka  refrigeran  akan  menguap  dari  adsorben  karbon  aktif dan masuk ke gelas ukur dalam fasa cair.

## 4. HASIL PENGUJIAN

## Data Pemanasan Awal Alat Penguji Kapasitas Adsorpsi Adsorber Menggunakan Baut
Pengujian kapasitas refrigeran metanol yang teradsorpsi. Pada pengujian ini adsorber di  kenakan  baut  dan  tanpa  dikenakan  baut  dengan  gelas  ukur  diisolasi.  Adsorber  mulai dipanaskan  mulai  pukul  13.05  WIB  sampai  dengan  pukul  20.05  WIB  dengan  mengunakan lampu  pemanas  alat  uji  kapasitas  adsorpsi.  Kemudian  pada  pukul  20.05  WIB  dilakukan pemvakuman  alat  pengujian  kapasitas  adsorpsi  dengan  menggunakan  pompa  vakum. Pemvakuman  dilakukan  untuk  mengeluarkan  partikel-partikel  pengotor  dan  uap  air. Perhatikan gambar grafik berikut.
Gambar 4.1 Grafik Temperatur vs Waktu Pemanasan Awal Alat Penguji Adsorpsi (metanol) menggunakan baut.
ISSN  0216-7492
Temperatur  awal  percobaan  pada  adsorber  adalah    29,50 o C  pada  pukul  13.05  WIB. Temperatur  maksimum  adsorber  yang  dapat  dicapai  ketika  pemanasan  adalah  259,3 o C  yaitu berada titik 3 thermocouple pada pukul 17.50 WIB .
Gambar 4.2 Grafik Temperatur gelas ukur vs Waktu Pada Saat Pemanasan Awal
Temperatur  terendah  yang  dapat  dicapai  pada  gelas  ukur  yaitu  11,2 o C  pada  pukul 18.47 WIB.
Gambar 4.3 Grafik Tekana vs Waktu
Tekanan  maximum  yang  dapat  dicapai  pada  porses  pemanasan  awal  yaitu  19,53  Psi pada pukul 17.53 WIB.

## Adsorber Tidak Menggunakan Baut
Gambar 4.4 Grafik Temperatur vs Waktu Pemanasan Awal Alat Penguji Adsorpsi (metanol) Tidak mengunakan baut
Temperatur  awal  percobaan  pada  adsorber  adalah  29,50 o C  pada  pukul  13.05  WIB. Temperatur  maksimum  adsorber  yang  dapat  dicapai  ketika  pemanasan  adalah  201,9 o C  yaitu berada titik 3 thermocouple pada pukul 19.38. WIB .
Gambar 4.5 Grafik Temperatur gelas ukur vs Waktu Pada Saat Pemanasan Awal Temperatur  terendah  yang  dapat  dicapai  pada  gelas  ukur  yaitu  13,2 o C  pada  pukul 18.50 WIB.
Gambar 4.6 Grafik Tekana vs Waktu
Tekanan  maximum  yang  dapat  dicapai  pada  porses  pemanasan  awal  yaitu  16,04  Psi pada pukul 15.59 WIB.

## Data Pengujian Adsorpsi Metanol
Adsorpsi  dimulai  pada  pukul  20.08  WIB  setelah  selesai  proses  pemanasan  dan pemvakuman  dan  selasai  pada  pukul  13.02  WIB.  Pada  pengujian  ini  gelas  ukur  diisolasi, sehingga temperatur lingkungan tidak berpengaruh terhadap gelas ukur.

## Adsorber Menggunakan Baut
Gambar 4.7 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Alat Penguji Adsorpsi  (metanol) menggunakan baut
Temperatur terendah yang dapat dicapai pada adsorber terjadi yaitu  26 o C pada pukul 06.32 WIB.
Gambar 4.8 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Gelas Ukur Refrigerant (metanol) Temperatur terendah yang dapat dicapai pada gelas ukur yaitu  8 o C pada pukul 07.14 WIB.
Pada proses adsorpsi ini, volume refrigeran metanol yang mampu diserap oleh karbon aktif 1 kg beserta baut adalah sebanyak 350 mL.
Gambar 4.9 Grafik Tekana vs     Waktu
Tekanan  minimum  yang  dapat  dicapai  pada  porses  adsorpsi  yaitu  -12,95  Psi  pada pukul 02.23 WIB.

## Adsorber  Tanpa Menggunakan Baut
Gambar 4.10 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Alat Penguji Adsorpsi (metanol) tanpa baut.
Temperatur  terendah  yang  dapat  dicapai  pada  adsorber  yaitu  25 o C  pada  pukul  06.29 WIB.
Gambar 4.11 Grafik Temperatur vs Waktu Adsorpsi Gelas Ukur Refrigerant (metanol)
Temperatur terendah yang dapat dicapai pada gelas ukur yaitu 8 o C pada pukul 01.29.
Pada proses adsorpsi ini, volume refrigeran metanol yang mampu diserap oleh karbon aktif 1 kg tanpa baut adalah sebanyak 275 mL.
Gambar 4.12 Grafik Tekana vs Waktu
Tekanan minimum yang dapat dicapai pada porses yaitu -12,95 Psi pada pukul 02.38 WIB.

## Data Pengujian Desorpsi Metanol
Adsorber Menggunakan Baut
Gambar 4.13 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi Alat Penguji Adsorpsi (metanol) menggunakan baut.

## Gambar 4.14 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi Gelas Ukur  Refrigerant
(metanol)
Pada  pengujian.  pada  gelas  ukur  dapat  dilihat  jumlah  volume  metanol  yang  kembali pada  proses  desorpsi.  Volume  metanol  yang  kembali  setelah  dilakukan  pemanas  dari  pukul 13.05 WIB sampai dengan jam 20.05 WIB ke gelas ukur adalah sebanyak 350 mL.
Gambar 4.15 Grafik Tekana vs Waktu
Tekanan  maximum  yang  dapat  dicapai  pada  desorpsi  yaitu  18,95  Psi  pada  pukul 17.38.

## Adsorber  Tanpa Menggunakan Baut
Gambar 4.16 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi Alat Penguji Adsorpsi (metanol) tanpa menggunakan Baut
Temperatur maksimum yang dapat dicapai pada adsorber ketika dilakukan pemanasan adalah 201,9 o C pada pukul 19.38 WIB.
Gambar 4.18 Grafik Temperatur vs Waktu Desorpsi Gelas Ukur Refrigerant (metanol)
Volume  metanol  yang  kembali  setelah  dilakukan  pemanas  dari  pukul  13.05  WIB sampai dengan jam 20.05 WIB ke gelas ukur adalah sebanyak 275 mL.
Gambar 4.19 Grafik Tekana vs Waktu
Tekanan maximum yang dapat dicapai pada desorpsi yaitu 16,04 Psi pada pukul 15.47 WIB.

## 5. Kesimpulan
Dari hasil penelitian dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut ini.
1. Energi  adsorpsi  dari  karbon  aktif  selama  proses  adsorpsi  pada  pengujian  masing- masing  refrigeran  berlangsung  selama  17  jam  (mulai  jam  20.05  WIB  sampai  dengan  pukul 13.05 WIB pada keesokan harinya).
• Karbon  Aktif    dengan  adsorber  menggunakan  baut  energy  adsorpsinya  adalah 510,48 J/mol
• Karbon Aktif dengan adsorber tidak menggunakan baut energy adsorpsinya adalah 371,55 J/mol
2. Adsorpsi pada pengujian masing-masing refrigeran berlangsung selama 17 jam (mulai jam 20.05 WIB sampai dengan pukul 13.05 WIB pada keesokan harinya).
Desorpsi  pada  pengujian  masing-masing  refrigeran  berlangsung  selama  8  jam  (mulai pukul 13.05 WIB sampai dengan pukul 20.05 WIB). hasil/data dari  proses adsorpsi dan desorpsi dengan gelas ukur diisolasi dengan styrofoam:
a. Volume  refrigeran  metanol  yang  dapat  diserap  (adsorpsi)  sama  dengan  volume refrigeran  metanol  yang  didesorpsi  dari  karbon  aktif  dengan  menggunakan  baut yaitu sebesar 350 mL.
b. Volume  refrigeran  metanol  yang  dapat  diserap  (adsorpsi)  sama  dengan  volume refrigeran  metanol  yang  didesorpsi  dari  karbon  aktif  dengan  tanpa  baut  yaitu sebesar 275 mL.
3. Efisiensi kolektor
a. Efisiensi kolektor dengan menggunakan baut 48,24 %
b. Efisiensi kolektor tanpa menggunakan baut 32,92 %
4. Efisiensi Gelas Ukur, dengan kondisi gelas ukur diisolasi Styrofoam:
- Efisiensi gelas ukur dengan adsorber menggunakan baut 17,74 %
- Efisiensi gelas ukur dengan adsorber tanpa baut 20,69  %
5. Dalam  percobaan  ini  jumlah  refrigeran  yang  diserap  lebih  maksimal  dari  percobaan sebelumnya,  hal  ini  dikarenakan  penyerapan  panas  di  dalam  adsorber  lebih  maksimal karena adanya penggunaan baut.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Holman,J.P., Perpindahan Panas, Penerbit   Erlangga, Jakarta Pusat.
2. Sitorus  T.B.,  Napitupulu  F.H.  &  Ambarita  H.  2016.  International  Journal  of Technology, IJTech Journal, Vol. 7 Issue 5, pp. 910-920.
3. Purba, Oloan., (2013), Pembuatan Alat Penguji Kapsitas Adsorpsi pada Mesin Pendingin Adsorpsi Dengan Menggunakan Adsorben Karbon Aktif ., Skripsi, Fakultas Teknik, USU, Medan.
4. Tulus B. Sitorus, Farel H. Napitupulu, Himsar Ambarita. 2017. J. Eng. Technol. Sci., Vol. 49, No. 5, 657-670.
5. Wuntu, A.D dan Kamu, V.S., (2008),
6. Jurnal  Kimia  Online:  Adsorpsi  Aseton  Benzena,  dan  Toluena  pada    Karbon  Aktif Tempurung Kelapa Sebagai Pembersih Udara Ruang Tertutup : 66 – 67.